简介概要

铝电解阳极气泡图像Matlab处理研究

来源期刊：稀有金属2015年第12期

论文作者：李松石忠宁赵志彬李志韦轶华

文章页码：1101 - 1107

关键词：铝电解;阳极气泡;Matlab;图像处理;

摘要：阳极气泡排放过程的运动会搅动电解质,对铝电解产生很大的影响,进行铝电解阳极气泡的研究可以掌握气泡的排放与电解质流动之间的关系。通过透明电解槽拍摄了铝电解阳极气泡的析出行为,用Matlab数学软件处理了实验过程所得到的图像。确定了灰度转化、直方图规定化、二值化、气泡特征提取的技术路线。采用该技术路线可以清晰地得到铝电解阳极气泡图像,提取气泡面积、质心等特征。研究发现,直方图规定化相比直方图均衡化可以获得更加清晰地气泡图像,二值化可以清晰的提取到气泡边部轮廓。通过以上技术路线,可以清晰的观察到原始图像无法分辨的气泡。用图像处理软件Image pro-plus 6.0获得气泡大小等特征,通过连续两帧气泡图像获得气泡速度,从而为进一步研究铝电解阳极气泡奠定了基础,还可以应用于冶金反应器的水模型实验等图像分析,稀土金属等其他金属电解过程的气泡行为研究等。

稀有金属 2015,39(12),1101-1107 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2015.12.007

铝电解阳极气泡图像Matlab处理研究

李松石忠宁赵志彬李志韦轶华

六盘水师范学院化学化工系

东北大学材料与冶金学院

摘要：

阳极气泡排放过程的运动会搅动电解质,对铝电解产生很大的影响,进行铝电解阳极气泡的研究可以掌握气泡的排放与电解质流动之间的关系。通过透明电解槽拍摄了铝电解阳极气泡的析出行为,用Matlab数学软件处理了实验过程所得到的图像。确定了灰度转化、直方图规定化、二值化、气泡特征提取的技术路线。采用该技术路线可以清晰地得到铝电解阳极气泡图像,提取气泡面积、质心等特征。研究发现,直方图规定化相比直方图均衡化可以获得更加清晰地气泡图像,二值化可以清晰的提取到气泡边部轮廓。通过以上技术路线,可以清晰的观察到原始图像无法分辨的气泡。用图像处理软件Image pro-plus 6.0获得气泡大小等特征,通过连续两帧气泡图像获得气泡速度,从而为进一步研究铝电解阳极气泡奠定了基础,还可以应用于冶金反应器的水模型实验等图像分析,稀土金属等其他金属电解过程的气泡行为研究等。

关键词：

铝电解;阳极气泡;Matlab;图像处理;

中图分类号： TF821

作者简介：李松(1988-),男,贵州盘县人,硕士,研究方向:熔盐电解、冶金资源综合利用;E-mail:780905272@qq.com;;石忠宁,教授;电话:13514238968;E-mail:57681938@qq.com;

收稿日期：2013-12-02

基金：国家自然科学基金项目(51322406);中央高校基本科研业务费(N1140205001,L1502014)资助;

Image Processing of Anode Gas Bubbles Evolution from Aluminum Electrolysis Cell Using Matlab Software Kit

Li Song Shi Zhongning Zhao Zhibin Li Zhi Wei Yihua

School of Chemistry & Chemical Engineering,Liupanshui Normal University

School of Materials and Metallurgy,Northeastern University

Abstract：

The movement of anode bubble discharge process could agitate the electrolyte,which had a great influence on the aluminum electrolysis. By the research of gas bubbles behaviors on the anode of aluminum cell,the relationship between gas bubbles evolution and electrolyte flow could be understood well. The photographies of anodic gas bubbles evolved from the anode were shot using transparent electrolytic cell,and the images were processed using Matlab mathematical software. After a determination of greyscale transformation,histogram specification,binarization and bubble feature extraction techniques,clear aluminum electrolysis anode bubble images,the characteristics of bubble size and center of mass were obtained. The study found that the histogram specification could acquire more clear bubble images than the histogram equalization. Binaryzation could easily get the edge contour. The bubbles could be distinctly observed which could not be found in the original image. The speed of the bubbles could be calculated with two continuous bubbles images whose size could be obtained with the Image pro-plus 6. 0 software. The technique from this paper could establish the foundation for further study of the bubble of aluminum electrolysis anode and for the image analysis in metallurgical reactors.

Keyword：

aluminum electrolysis; anode gas bubbles; Matlab; image processing;

Received： 2013-12-02

在铝电解过程中阳极底面产生CO₂气体形成气膜电阻,使槽电压升高,当气泡完全覆盖阳极底面的时候,有可能发生阳极效应。阳极气泡排放过程的运动会搅动电解质,对铝电解产生很大的影响,电解质运动一方面促进了氧化铝溶解和扩散, 另一方面,电解质中运动的阳极气泡会与电解中溶解的铝发生二次反应,降低了电流效率。研究阳极气泡在阳极底部的产生、长大、合并、逸出等过程行为,可以掌握其对电解质流动的作用规律。目前国内外对铝电解阳极气泡的析出行为研究一般采用室温水模型、低温电解模型、数值模型^{[1,2,3,4,5,6,7]}等,对于真实铝电解的气泡行为研究很少。

使用Qiu等^[8]发明的透明石英电解槽,可以清晰的观察铝电解的氧化铝溶解过程、电极反应过程、气体析出行为、金属雾形成等一系列高温熔盐体系电化学过程,极大促进了铝电解实验研究的发展。但在用透明槽研究铝电解阳极气泡的时候, 由于受到金属雾生成等因素干扰,微小气泡的观测受到一定的影响,有时难以得到阳极气泡特征, 特别是计算气泡产生量( 体积) 时,需要准确的气泡影像数据。因此需要通过图像处理技术实现。

图像处理^[9,10,11]是从20世纪60年代以来随着计算机技术和超大规模集成电路的发展而产生、发展和不断成熟起来的一个新兴技术领域,它在理论上和实际应用上都取得了巨大的成就,并引起了各方面的广泛重视。Matlab是一种数学处理软件,在数字图像处理^{[12,13,14,15]}中具有以下优点: 再现性好、处理精度高、适用面宽、灵活性高等,在工业、军事、遥感、医学、生物等方面有着重要的作用,但是Matlab在冶金方面的应用极少。但Matlab无法提取气泡的具体特征参数,图像处理软件Im- age pro-plus 6. 0可以处理这个问题。因此本研究拟采用Matlab软件和Image pro-plus 6. 0软件的图像处理功能,对铝电解阳极气泡图像进行处理,解决阳极气泡观测难题,也可以用于研究稀土金属电解的气泡行为。

1实验

铝电解过程阳极气泡的观测实验在透明电解槽系统中完成。透明电解槽系统由高温系统、高纯石英坩埚、电极结构、摄像系统构成,如图1所示。电解实验采用的冰晶石熔盐组成为: 4Ca F₂- 3. 5Al₂O₃( % ,质量分数) ,Na F与Al F₃的摩尔比为2. 2,电解温度为960 ℃,电解质为500 g,电流密度为0. 7 A·cm^{- 2},阳极材料为高纯石墨( 长22 mm宽50 mm) ,阴极为钨片( 长50 mm宽50 mm) 。在图像摄取过程中,由于电解质是透明的,所以采用逆照明,拍摄气泡的阴影。实验过程中摄像头所拍摄到的图像通过数据线传输到计算机上,以通过计算机保存实验的视频。

图1实验装置图Fig. 1 Experimental set-up

1-Corundum protection tube;2-Furnace;3-Quartz crucible;4-Cryolite;5-Quartz window;6-Cameras or highspeed cameras;7-Thermocouple;8-Adjustable light source;9-Tungsten sheet;10-Graphite anode;11-Anode guide rod;12-Cathode guide

实验所得的原始图像通过Matlab数学软件的图像处理技术完成。通过处理将实验视频中的气泡进行清晰化、量化、特征提取等处理,从而进一步量化研究铝电解阳极气泡行为。

2结果与讨论

2. 1图像处理

采集到的气泡原始图像是720 × 480像素的真彩色图像( 图2 ( a) ) ,首先把原始图像( RGB, uint8) 进行预处理,将其转换成成灰度图像,结果如图2( b) 所示。图像经过灰度转化后进行图像增强,主要是对灰度进行直方图变换得到灰度直方图,灰度直方图是灰度级的函数,描述的是图像中具有该灰度级的像素个数; 横坐标是灰度级,纵坐标是该灰度出现的频率( 像素个数) 。直方图变化的方法有直方图均衡化及直方图规定化两种。

2. 1. 1直方图均衡化直方图均衡化的基本思想是把原始图的直方图变换为均匀分布的形式, 这样增加了像素灰度值的动态范围从而可达到增强图像整体对比度的效果。经过灰度转化把铝电解阳极气泡的彩色图像转换成灰度的图像,从灰度图像可以看到,从阳极底部逸出的气泡比较清晰, 但是侧部产生的气泡无法辨认,所以对原来的灰度图像进行了直方图均衡化。

图2灰度转化处理Fig.2 Grayscale conversion process

(a)Original bubble image;(b)Greyscale transformation image

原始图像、直方图处理后图像和对应的直方图如图3所示。从直方图可知,处理后的图像直方图分布更均匀了,在每个灰度级上图像都有像素点。从处理前后的图像对比可以看出,许多在原始图像中看不清楚的细节在直方图均衡化处理后所得到的图像中都变得十分清晰。

2. 1. 2直方图规定化灰度直方图规定化是用于产生处理后有特殊直方图的图像方法。灰度直方图规定化就是将直方图均衡化后的结果映射到期望的理想直方图上,使图像按人的意愿去变换,就是通过一个灰度映像函数,将原灰度直方图改造成所希望的直方图。相比较原始图像,图4是直方图规定化处理后的图像和直方图,从图4可以看到,经过直方图规定化以后的图像变得特别清晰, 原始图像阳极侧部的气泡基本上无法分辨,规定化后可以看到很多的小气泡,这为下一步对阳极气泡的观察分析提供了清晰的图片。

图3直方图均衡化处理Fig. 3 Histogram equalization image and histogram

(a)Original bubble image;(b)Original image histogram;(c)Image after histogram equalization;(d)Histogram after histogram equalization

图4直方图规定化处理Fig. 4 Histogram specification images

(a)Image after histogram specification;(b)Histogram after histogram specification

2. 1. 3直方图均衡化和直方图规定化的选取

通过上面的分析可以看到,经过直方图均衡化和直方图规定化方法处理过的图像,不管是侧部的气泡还是阳极侧壁正在上升的大气泡都比原来的图像清晰,为了使阳极气泡的图像得到最好的效果,还需要对阳极气泡的图像增强方法进行选择。

直方图均衡化能够自动增强整个图像的对比度,但它的具体增强效果不容易控制,处理的结果总是得到全局均匀化的直方图。实际上有时需要变换直方图,使之成为某个特定的形状,从而有选择地增强某个灰度值范围内的对比度。这时可以采用比较灵活的直方图规定化。正确地选择规定化的函数可以获得比直方图均衡化更好的效果。直方图均衡化的有部分图像仍然较暗,阳极侧部的小气泡无法辨认,而直方图规定化的图像亮度较直方图均衡化的图像亮一些,而阳极侧部的小气泡可以很清晰的识别。通过图3和4的的直方图均衡化和直方图规定化的图像比较,可以看到,经过直方图规定化处理的图像效果要比直方图均衡化处理后的图像要好,所以选取直方图规定化作为图像增强的方法。

2. 2灰度图像二值化

灰度图像是指只含亮度信息,不含色彩信息的图像。图像的二值化处理就是将图像上的点的灰度置为0或255,也就是使整个图像呈现出明显的黑白效果。即将256个亮度等级的灰度图像通过适当的阀值选取而获得仍然可以反映图像整体和局部特征的二值化图像。

图5是经过图像二值化处理后的图像,通过图5可以看到,阳极底部逸出的大气泡有了非常清晰的轮廓,可以获取大气泡的特征,如面积等。但是,由于阳极侧部的气泡与阳极灰度相近,经过图像二值化处理之后,小气泡也和阳极一样变成黑块。所以,使用图像二值化可以用来获取大气泡的特征而无法得到小气泡的特征。

图5图像二值化Fig. 5 Image binaryzation

2. 3气泡特征提取和侧部通道气泡的运动速度

通过图像处理技术,可以提取实验视频图片中所隐含的信息,比如气泡的面积、质心,侧部通道气泡的运动速度等。气泡特征提取流程图如图6所示。

由速度的定义,速度等于单位时间内的位移:

式中,t₁为时刻的气泡质心坐标为( X₁,X₂) ; t₂为时刻的气泡质心坐标为( Y₁,Y₂) ,Δt = t₂- t₁,u,v分别为气泡速度水平分量和竖直分量。

相邻两时刻气泡测量方法如图7所示,由图7可知,只要知道阳极气泡的两个时刻的位置,由于两张图片的时间间隔是一帧,Δt = 1 /15 s,通过把实验得到的视频捕获成一帧一帧的图像,这样相隔两个时刻的时间就可以得到。

图8选取了相邻两帧阳极的气泡逸出的图像, 从阳极底面逸出的气泡刚脱离阳极的时候是紧贴着阳极的侧部,到了下一帧的时候,气泡开始脱离阳极侧部。只要得出两个气泡的质心坐标,就可以算出气泡在侧部运动的速度。但是由于原始图像的边缘不好提取,需要对原始图像进行二值化处理。

图6气泡特征提取流程图Fig. 6 Flow chart of extraction of bubble characteristics

图7气泡测量示意图Fig. 7 Schematic diagram of bubble measurement

图9为经过二值化处理后得到的气泡图像,由图9可以很清晰的提取到气泡边部轮廓。之后再用图像处理软件Image pro-plus 6. 0对气泡的特征进行提取。得到的气泡特征如下。

根据表1可以计算出相邻两帧图像气泡特征的速度,经过计算,可以得到,图9的气泡速度为1768. 35 Pixel·s^{- 1}。表1所列的气泡特征的单位都是像素,Image pro-plus 6. 0可以把像素转换为图像中实际物体的尺寸,经过转化,得到气泡的速度为9. 82 mm·s^{- 1}。通过气泡的特征提取,可以发现, t + Δt时刻的气泡的体积要大于t时刻的体积,这是因为气泡在上升过程中不断吞并小气泡,尤其是阳极侧壁的气泡而导致的。

图8相邻两帧气泡的位置图Fig. 8 Location plan of adjacent two-frame bubbles

(a)Image of bubbles at t moment;(b)Image of bubbles at t+Δt moment

图9二值化处理后气泡位置图Fig. 9 Location plan of bubble after binarization processing

(a)Image of bubbles at t moment;(b)Image of bubbles at t+Δt moment

表1相邻两帧图像气泡特征Table 1Two adjacent frame drawing of bubble charac- teristics 下载原图

表1相邻两帧图像气泡特征Table 1Two adjacent frame drawing of bubble charac- teristics

3结论

利用Matlab处理技术对铝电解透明槽实验视频进行图像处理处理,对摄像图像采集系统进行描述。研究发现,直方图规定化相比直方图均衡化可以获得更加清晰地气泡图像,二值化可以清晰地提取到气泡边部轮廓,气泡特征提取的技术可用于提取气泡的面积、质心等特征。通过以上技术路线,可以清晰地观察到原始图像无法分辨的气泡。用图像处理软件Image pro-plus 6. 0获得气泡大小等特征,通过连续两帧气泡图像获得气泡速度,从而为进一步研究铝电解阳极气泡奠定了基础,还可以应用于冶金反应器的水模型实验等图像分析,稀土金属等其他金属电解过程的气泡行为研究等。